基于静载试验的中铰缝空心板梁桥底板破损原因分析及处治∗

2016-10-28周广利赵宁渠广镇

公路与汽运 2016年1期

关键词：铰缝板底梁桥

周广利，赵宁，渠广镇，2

（1.山东省交通科学研究院，山东　济南　250031；2.长安大学公路学院，陕西　西安　710054）

基于静载试验的中铰缝空心板梁桥底板破损原因分析及处治∗

周广利1，赵宁1，渠广镇1，2

（1.山东省交通科学研究院，山东济南250031；2.长安大学公路学院，陕西西安710054）

针对某中铰缝空心板梁桥，在病害调查的基础上，根据静载试验结果对铰缝破损和横向连接状况进行评定，分析了部分空心板底砼破损的原因。结果表明，对于中铰缝装配式空心板梁桥，空心板间横向连接的弱化或单板受力的出现，导致铰缝下方的砂浆脱落并挤压底板铰缝两侧的砼，从而导致空心板底板砼的破损。

桥梁；空心板梁桥；铰缝；静载试验；加固处治

装配式空心板梁桥是中国中小跨径桥梁采用最为广泛的结构形式，一般由预制砼空心板梁、现浇铰缝、6～10 cm砼现浇调平层和厚度4～10 cm沥青铺装层组成，其铰缝按尺寸可分为浅铰缝、中铰缝和深铰缝3种主要形式。从高速公路和国省干线公路桥梁定期检查结果来看，装配式空心板梁桥是出现问题最多的桥型。最为突出的问题是空心板的单板受力问题，若单板受力问题得不到及时维修，加之超重车辆的作用，严重时会引起空心板断裂。

空心板梁桥受力状态较清晰，薄弱环节在于空心板本身的承载能力和铰缝处横向连接作用。对于铰缝病害的成因、修复、预防措施和维修方法，大量学者进行了研究，取得了很多实用性成果。如冷艳秋、张劲泉等分析了铰缝开裂对横向分布的影响，通过回归分析得到了跨中截面横向分布系数随铰缝开裂长度变化的规律，得到了出现单板受力现象的铰缝开裂临界长度值；钱寅泉、周正茂等针对装配式空心板梁桥铰缝的破损评价，提出了相对位移法，通过测量在正常通行荷载作用下一段时间内铰缝的最大相对位移值判断铰缝的破损程度；项贻强等利用实体单元对结构建立空间有限元模型进行计算分析，结果表明上部铰缝底缘横向拉应力过大时产生单板受力现象是铰缝处产生纵向裂缝的主要原因。该文以某中铰缝空心板梁桥为背景，通过现场调查和静载试验，实测铰缝两侧空心板底的挠度差，结合参考文献提供的方法对该桥的单板受力问题进行量化分析，并分析空心板底铰缝两侧砼破损的原因，为该类型桥梁的病害分析和运营养护提供参考。

1　工程背景

某桥梁上部结构为3～20 m装配式预应力砼空心板，横向共布置12片空心板，预制中板宽1.24 m，预制边板宽1.745 m，梁高0.9 m，桥面铺装采用10 cm厚砼+5 cm厚沥青砼，桥面布置为0.5 m护栏+15 m机动车道+0.5 m护栏，设计荷载等级为公路-Ⅰ级。下部结构采用柱式墩台，灌注桩基础。该桥采用中铰缝，距离空心板顶43 cm范围内采用40号砼填筑，其余部分采用40号水泥砂浆填筑。铰缝结构见图1。

图1　空心板铰缝构造（单位：mm）

该桥车流量大，且通行重车较多，部分超载车辆达110 t，在运营期间部分预应力空心板底铰缝两侧砼出现破损或剥落，铰缝内砂浆填料脱落，墩顶上方桥面铺装层横向开裂，桥面铺装沿铰缝处出现明显纵向开裂。典型病害见图2。

图2　典型病害

2　有限元模型

采用ANSYS梁单元建立该桥有限元模型。对于装配式空心板梁桥，空心板之间主要依靠铰缝进行荷载的有效传递，根据铰接板法的基本假设，铰缝只传递剪力而不传递弯矩，在进行铰缝模拟时，通过设置Beam44单元的Keypot值的属性设置来进行节点放松，同时设置铰缝单元的刚度巨大，从而有效解决铰缝的模拟问题。理论横向分布系数根据空心板跨中变形和同一时刻全桥跨中变形之和的比值确定。该桥有限元模型见图3。

图3　空心板梁桥的有限元模型

3　静载试验

3.1试验内容和方法

根据空心板梁桥的受力特点，同时考虑该桥空心板底砼破损区域主要集中在跨中断面附近，静载试验重点考察空心板间的横向联系，故选择跨中断面为控制断面。由于第1跨桥面纵向裂缝数量较多，裂缝长度相对较大，铰缝渗水问题最为严重且板底砼破损或剥落面积最大，初步判定第1跨的横向联系作用最差，因而选取该跨作为试验跨。按照设计的最不利组合进行布载，测试在试验荷载作用下跨中控制断面的挠度值，并与理论计算值比较，评价结构的横向联系作用和整体工作性能。

试验工况：工况Ⅰ为跨中断面最大正弯矩控制对称加载，4辆车，分4级加载；工况Ⅱ为跨中断面的正弯矩控制偏心加载，4辆车，分2级加载。

测点布置：在跨中断面每片空心板底中线处布置位移计。由于试验跨桥面中心线处纵向开裂较严重，该位置对应6#、7#空心板之前的铰缝，为考察荷载作用下铰缝两侧的挠度变化规律，在6#、7#空心板板底边缘各增设1个位移计（见图4）。

图4　6#、7#板底的位移测点布置

表1　试验荷载作用下试验跨各片空心板的挠度和校验系数

3.2挠度测试结果

试验跨各片空心板在工况Ⅰ和工况Ⅱ满载作用下，实测挠度、理论挠度和校验系数见表1，实测挠度和理论挠度的对比见图5和图6。

从表1、图5和图6可以看出：1）对称和偏载两种工况下，满载时，实测值和理论值有较大偏离，且挠度数据出现明显波动。工况Ⅰ对称加载时，由于加载车辆位于4#～9#空心板的上方，4#～9#空心板的校验系数明显高于其他空心板，其中最中间的6#、7#空心板的挠度校验系数达到1.08，而远离加载车辆的最小值仅为0.28。工况Ⅱ偏心加载时，加载车辆位于8#～12#空心板的上方，导致8#～12#空心板的校验系数明显大于其他空心板，距离加载车辆最远的1#空心板的校验系数仅为0.05，表明加载车辆荷载效应基本上未对远端的边板产生作用。2）6#、7#空心板处挠度实测数据有明显突变，表明6#、7#空心板之间铰缝横向联系已十分薄弱。

续表1

图5　工况Ⅰ实测挠度和理论挠度对比

图6　工况Ⅱ实测挠度和理论挠度对比

3.3横向分布系数

实测试验荷载横向分布系数是评定全桥横向刚度的重要指标，板的荷载横向分布系数越接近，各片板受到的内力越均匀，横向刚度越大，桥梁整体受力性能越好。该桥试验跨的理论和实测横向分布系数见表2。

从表2可以看出：不管是工况Ⅰ还是工况Ⅱ，靠近加载车辆的空心板的横向分布系数均明显大于理论计算值，表明空心板的横向连接作用较薄弱。在车辆荷载作用下，作用力不能通过有效的横向连接较为均匀地分布于各片空心板，而是相对集中地作用于荷载作用点附近的空心板上。

表2　理论和实测横向分布系数对比

3.4铰缝挠度差

该桥通车后，部分空心板在铰缝位置砼剥落，伴随铰缝砼（或砂浆）脱落，初步分析认为板底砼剥落是由于铰缝砼或砂浆与空心板的相互挤压和错动引起的。在6#和7#空心板跨中底板各分别布置3个位移传感器，考察在静载试验过程中6#、7#空心板的变形和板间铰缝的挠度差。实测位移值见表3，对应挠度变化见图7。

从表3和图7可看出：在荷载作用下，6#、7#空心板之间的铰缝有明显的挠度差。工况Ⅱ下满载时，由于车辆荷载不对称，铰缝两侧的测点实测挠度差达到最大值1.99 mm，表明6#和7#空心板在试验荷载作用下，铰缝两侧相邻板变形不协调，同时从6#、7#板底实测数据来看，空心板在下挠的同时有轻微扭转，使铰缝砼（或砂浆）与两侧的空心板产生竖向和水平方向相对位移，从而在铰缝位置产生剪力、扭矩和水平拉（压）力。车辆通行时，铰缝受到反复挤压和错动，导致空心板底部砼破损。由于该桥通行有重达百吨的超载车辆，加之动荷载的冲击作用，破坏作用更加明显。

表3　6#和7#空心板的位移实测值

图7　6#、7#空心板底实测挠度值

4　铰缝连接作用评定和板底破损原因分析

在铰缝破损程度检测和单板受力评定方面，目前各种规范中没有具体的量化指标。文献［1]中提出了判定单板受力的铰缝开裂临界长度，对于单侧铰缝开裂情况，临界铰缝开裂长度定为1.0L。该桥桥面中心线处已出现通长的纵向网裂，对应6#、7#空心板之间的铰缝，已满足文献［1]中给定的单板受力条件。根据文献［2]提出的铰缝破损程度检测相对位移法，a=Δ/L×10 000（a为无量纲的参数，Δ为实测相对位移，L为跨径，10 000为系数）。文献［2]通过数理统计，给出了铰缝不同状态之间无量纲参数a的界限值：当a<0.14时，铰缝属于完好状态；0.140.57时，铰缝发生破坏，铰缝横向传递剪力的能力大为削弱，空心板将出现单板受力或单板受力趋势。对于该桥，若空心板相对位移大于1.14 mm，则判定铰缝出现了破坏。在静载试验中，6#、7#空心板之间的最大挠度差达到1.99 mm，在运营过程中若近百吨重车通行，其相对位移将远大于1.99 mm，故判定该桥空心板已出现明显的单板受力。

鉴于部分空心板板底铰缝两侧砼破损，调查发现，若存在渗水或桥面存在纵向裂缝的铰缝，对应铰缝下方空心板破损问题相对较多。该桥铰缝下方的矩形区域在施工中用砂浆进行了封闭，但该区域砂浆与空心板之间未产生有效的横向连接，当铰缝发生轻微破损，铰缝两侧空心板存在挠度差时，砂浆在有效铰缝的下部断裂破损并向下脱落，在车辆荷载反复作用下，脱落的砂浆与空心板的砼发生挤压，造成空心板底铰缝两侧部分砼发生剥落和破损。